Laboratorio atómico ultrafrío en la Universidad Tecnológica de Swinburne. Crédito:FLOTA
Un estudio de la Universidad de Tecnología de Swinburne publicado esta semana examina la propagación de energía como ondas sonoras en un gas cuántico, revelando por primera vez fuertes variaciones en la naturaleza de la onda sonora en función de la temperatura.
A bajas energías, esta energía viaja a través del movimiento colectivo de muchas partículas que se mueven en sincronía, esencialmente, como ondas sonoras:cuantificadas mediante cuasipartículas conocidas como fonones.
Por debajo de la temperatura de transición de superfluidos T C estas ondas sonoras en un gas Fermi unitario pueden propagarse sin colisiones y son impulsadas por ondas en la fase del parámetro de orden superfluido (función de onda); este modo se conoce como fonón Bogoliubov-Anderson (BA).
Por encima de T C , las ondas sonoras se amortiguan más fuertemente, y las colisiones juegan un papel dominante.
Se identificaron fuertes similitudes en la dependencia de la temperatura del sonido en el gas de Fermi unitario y el comportamiento de los fonones en el helio líquido. que fue uno de los primeros superfluidos identificados históricamente.
Este estudio proporciona puntos de referencia cuantitativos para las teorías dinámicas de fermiones fuertemente correlacionados.
Los gases atómicos ultrafríos formados y estudiados en el laboratorio del profesor Chris Vale en Swinburne permiten un ajuste muy preciso de las interacciones entre átomos.
"Enfriamos y confinamos un gas altamente diluido de Li 6 átomos, realizando un gas Fermi unitario, que exhibe las interacciones más fuertes permitidas por la mecánica cuántica con un potencial de contacto, "explica el profesor Vale.
En un gas unitario, las colisiones elásticas se vuelven resonantes y las propiedades termodinámicas del gas se convierten en funciones universales de la temperatura y la densidad. Los gases unitarios de Fermi permiten una prueba precisa de las teorías de los fermiones que interactúan.
Luego, el equipo estudió las excitaciones en el gas por encima y por debajo de la transición de fase superfluida T C utilizando espectroscopia de Bragg de dos fotones.
Arriba:Espectros de excitación para un gas de Fermi unitario que muestra (arriba) datos experimentales y (b) teoría. Crédito:FLOTA
"Medimos los espectros de excitación en un impulso de aproximadamente la mitad del impulso de Fermi, tanto por encima como por debajo de la temperatura crítica de superfluido T C , "explica el autor del estudio, el Dr. Carlos Kuhn.
Dos, Los pulsos de láser enfocados (aproximadamente 1,2 milisegundos de duración) que se cruzan dentro del gas crean una perturbación periódica para los átomos de litio.
Inmediatamente después del pulso láser gemelo, la trampa óptica de confinamiento se apaga y el impulso de los átomos se mide después de 4 milisegundos de expansión, y se puede mapear en función de la frecuencia del láser.
La duración y el tamaño finitos de los haces de Bragg conducen a una resolución espectral limitada por Fourier de aproximadamente 1:25 kHz FWHM que está muy por debajo de las energías típicas de Fermi. EF 11 kHz, utilizado en los experimentos.
"Sonido de alta frecuencia en un gas fermi unitario" se publicó en Cartas de revisión física (PRL) en marzo de 2020.
Laboratorio atómico ultrafrío en la Universidad Tecnológica de Swinburne. Crédito:FLOTA
Estudios ultrafríos en FLEET
El estudio de sistemas cuánticos de muchos cuerpos con fuertes interacciones entre partículas es de gran interés para la comprensión de materiales novedosos.
Dentro de FLEET, Chris Vale estudia fenómenos topológicos en gases bidimensionales de átomos fermiónicos ultrafríos, investigando las implementaciones de átomos fríos de la superfluidez topológica de Floquet, mejoras en el no equilibrio de la temperatura crítica superconductora y nuevas formas de materia topológica basadas en el acoplamiento espín-órbita ópticamente inducido en gases atómicos 2-D, en el tema de investigación 3.
El tema de investigación 3 de FLEET estudia los sistemas que son temporalmente expulsados del equilibrio térmico para investigar la física cualitativamente diferente mostrada y las nuevas capacidades para controlar dinámicamente su comportamiento.
Chris dirige el estudio de gases cuánticos en la Universidad Tecnológica de Swinburne. En estas colecciones de átomos enfriados a solo 100 nano-Kelvin por encima del cero absoluto, los comportamientos que generalmente solo se encuentran a nivel microscópico se vuelven prominentes a nivel macroscópico.
El estudio del equipo de los gases de Fermi confinados a 2-D prueba nuevos paradigmas para el transporte sin disipación en materia cuántica topológica y sin equilibrio sintetizada a partir de átomos ultrafríos.
Chris es uno de los casi 100 investigadores de FLEET, todos motivados por un gran desafío:reducir la energía utilizada en las tecnologías de la información y la comunicación (TIC), que ya representa al menos el 8% del uso global de electricidad, y se duplica cada década.
